第05章 11 动量剖面可视化代码一则

在计算流体力学（CFD）中，动量剖面（Momentum Profiles）通常用于描述流体在流动方向上的动量分布。在 VTK 中，可以通过读取速度场数据，并计算和展示动量剖面来可视化呈现速度场信息。

示例代码

以下是一个示例代码，展示如何使用 VTK 和 C++ 读取速度场数据，并计算和可视化动量剖面。

cpp 复制代码

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkXMLImageReader.h>
#include <vtkImageData.h>
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkDataArray.h>
#include <vtkFloatArray.h>
#include <vtkDoubleArray.h>
#include <vtkMath.h>
#include <vtkPointLocator.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkLine.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkCamera.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <InputVelocityFile.vti>" << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 读取速度场数据
    vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader> reader = vtkSmartPointer<vtkXMLImageDataReader>::New();
    reader->SetFileName(argv[1]);
    reader->Update();

    vtkSmartPointer<vtkImageData> imageData = reader->GetOutput();

    // 获取速度数组
    vtkSmartPointer<vtkDoubleArray> velocityArray = vtkDoubleArray::SafeDownCast(imageData->GetPointData()->GetVectors());

    if (!velocityArray)
    {
        std::cerr << "No velocity vectors found in the input data." << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 定义剖面线的起点和终点
    double startPoint[3] = {0.0, 0.0, 0.0};
    double endPoint[3] = {1.0, 0.0, 0.0};

    // 创建剖面线的点数组
    vtkSmartPointer<vtkPoints> points = vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();

    // 创建点定位器
    vtkSmartPointer<vtkPointLocator> locator = vtkSmartPointer<vtkPointLocator>::New();
    locator->SetDataSet(imageData);
    locator->BuildLocator();

    // 采样点的数量
    int numberOfSamples = 100;

    // 计算剖面线上的点
    for (int i = 0; i <= numberOfSamples; i++)
    {
        double t = static_cast<double>(i) / numberOfSamples;
        double point[3];
        for (int j = 0; j < 3; j++)
        {
            point[j] = startPoint[j] * (1.0 - t) + endPoint[j] * t;
        }
        points->InsertNextPoint(point);
    }

    // 查找最近的图像数据点
    vtkIdType ptId;
    double closestPoint[3];
    vtkSmartPointer<vtkDoubleArray> momentumArray = vtkSmartPointer<vtkDoubleArray>::New();
    momentumArray->SetNumberOfComponents(1);
    momentumArray->SetName("Momentum");

    for (vtkIdType i = 0; i < points->GetNumberOfPoints(); i++)
    {
        points->GetPoint(i, closestPoint);
        ptId = locator->FindClosestPoint(closestPoint);
        double velocity[3];
        velocityArray->GetTuple(ptId, velocity);
        double momentum = vtkMath::Dot(velocity, velocity); // 假设密度为1，动量等于速度的平方
        momentumArray->InsertNextValue(momentum);
    }

    // 创建剖面线的PolyData
    vtkSmartPointer<vtkPolyData> profileLine = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
    profileLine->SetPoints(points);

    // 创建线单元
    vtkSmartPointer<vtkCellArray> lines = vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
    vtkSmartPointer<vtkLine> line = vtkSmartPointer<vtkLine>::New();

    for (int i = 0; i < numberOfSamples; i++)
    {
        line->GetPointIds()->SetId(0, i);
        line->GetPointIds()->SetId(1, i + 1);
        lines->InsertNextCell(line);
    }

    profileLine->SetLines(lines);
    profileLine->GetPointData()->AddArray(momentumArray);

    // 创建LookupTable
    vtkSmartPointer<vtkLookupTable> lookupTable = vtkSmartPointer<vtkLookupTable>::New();
    lookupTable->SetHueRange(0.667, 0.0); // 从蓝到红的渐变
    lookupTable->SetSaturationRange(1.0, 1.0);
    lookupTable->SetValueRange(1.0, 1.0);
    lookupTable->SetTableRange(momentumArray->GetRange());
    lookupTable->Build();

    // 创建Mapper和Actor
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    mapper->SetInputData(profileLine);
    mapper->SetScalarModeToUsePointData();
    mapper->SetColorModeToMapScalars();
    mapper->SelectColorArray("Momentum");
    mapper->SetScalarRange(momentumArray->GetRange());

    vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    actor->SetMapper(mapper);
    actor->GetProperty()->SetLineWidth(3.0);

    // 创建Renderer, RenderWindow, Interactor
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    renderer->AddActor(actor);
    renderer->SetBackground(0.1, 0.2, 0.4); // 设置背景色

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renderWindow->AddRenderer(renderer);
    renderWindow->SetSize(800, 600);

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    interactor->SetRenderWindow(renderWindow);

    // 设置相机
    renderer->GetActiveCamera()->SetPosition(0, 0, 1);
    renderer->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0);
    renderer->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 1, 0);
    renderer->ResetCamera();

    // 开始渲染和交互
    renderWindow->Render();
    interactor->Start();

    return EXIT_SUCCESS;
}

代码说明

读取速度场数据 ：使用 vtkXMLImageDataReader 读取速度场的 VTI 文件。
获取速度数组：从图像数据的点数据中获取速度向量数组。
定义剖面线：定义剖面线的起点和终点，以及采样点的数量。
采样剖面线上的点 ：在剖面线上均匀采样点，并使用 vtkPointLocator 查找图像数据中最近的点。
计算动量：对于每个采样点，获取对应的速度向量，并计算动量（这里假设密度为1，动量等于速度的平方）。
创建剖面线的PolyData：将采样点和动量数据组织成PolyData，包含点、线单元和动量数组。
创建LookupTable：设置颜色查找表，根据动量值从蓝色到红色渐变。
创建Mapper和Actor：使用PolyData创建Mapper，并设置颜色映射。创建Actor并设置线宽。
渲染和交互：设置Renderer、RenderWindow和Interactor，配置相机，并开始渲染和交互。

编译和运行

确保你已经安装了 VTK 库，并正确配置了开发环境。编译和运行代码时，需要提供速度场数据文件作为命令行参数。

g++ -std=c++11 -o momentum_profiles momentum_profiles.cpp -lvtkCommonCore-9.0 -lvtkCommonDataModel-9.0 -lvtkIOXML-9.0 -lvtkImagingCore-9.0 -lvtkRenderingContext2D-9.0 -lvtkRenderingCore-9.0 -lvtkRenderingFreeType-9.0 -lvtkRenderingOpenGL2-9.0 -lvtkInteractionStyle-9.0
./momentum_profiles /path/to/velocity/file.vti

注意事项

速度场数据：确保输入的 VTI 文件包含速度向量数据。
剖面线定义：可以根据需要定义不同的剖面线，例如在不同方向上采样。
动量计算：本示例中假设密度为1，动量等于速度的平方。实际应用中，可能需要根据具体物理模型调整动量的计算公式。
性能优化：对于大规模数据，剖面线的采样点数可能需要调整，以平衡可视化质量和计算效率。

输出结果

运行程序后，你将看到一个交互式窗口，窗口中显示剖面线上的动量分布。剖面线的颜色从蓝色到红色表示动量值的变化。可以通过交互式窗口进行缩放和旋转，以更好地观察剖面线的动量分布情况。